Les scientifiques ont développé un modèle qui explique comment les molécules peuvent rapidement s’auto-organiser en structures ressemblant à la vie, remettant en question les vues traditionnelles sur l’origine de la vie. Leurs recherches révèlent également que le nombre d’espèces de molécules impliquées dans un cycle métabolique et les effets de réseau complexes sont essentiels à la formation de ces structures auto-organisées.
Un nouveau modèle aide à comprendre l’auto-organisation des molécules en structures vivantes.
Une hypothèse potentielle pour l’émergence de la vie implique l’auto-assemblage de molécules interdépendantes dans des structures similaires à des gouttelettes cellulaires. Ces groupes spécifiques de molécules pourraient établir les premiers cycles métaboliques d’auto-réplication, une caractéristique universellement présente dans les systèmes biologiques et cohérente dans toutes les formes de vie. Selon ce paradigme, les premières biomolécules devraient se regrouper par des processus lents et globalement inefficaces.
Une formation aussi lente des amas semble incompatible avec la rapidité avec laquelle la vie est apparue. Des scientifiques du département de Physique de la Matière Vivante du MPI-DS ont maintenant proposé un modèle alternatif qui explique cette formation d’amas et donc l’apparition rapide des réactions chimiques nécessaires à la formation de la vie.
« Pour cela, nous avons considéré différentes molécules, dans un cycle métabolique simple, où chacune espèces produit un produit chimique utilisé par le suivant », explique Vincent Ouazan-Reboul, le premier auteur de l’étude.
« Les seuls éléments du modèle sont l’activité catalytique des molécules, leur capacité à suivre les gradients de concentration des produits chimiques qu’elles produisent et consomment, ainsi que les informations sur l’ordre des molécules dans le cycle », poursuit-il.
Un nouveau modèle décrit l’auto-organisation des catalyseurs impliqués dans les cycles métaboliques. Différentes espèces de catalyseurs (représentés par des couleurs différentes) forment des grappes et peuvent se chasser. Crédit : MPI-DS / LMP
Par conséquent, le modèle a montré la formation de clusters catalytiques comprenant diverses espèces moléculaires. De plus, la croissance des clusters se produit à une vitesse exponentielle. Les molécules peuvent donc s’assembler très rapidement et en grand nombre dans des structures dynamiques.
« De plus, le nombre d’espèces de molécules qui participent au cycle métabolique joue un rôle clé dans la structure des clusters formés », résume Ramin Golestanian, directeur du MPI-DS : « Notre modèle conduit à une pléthore de scénarios complexes pour l’auto-organisation et fait des prédictions spécifiques sur les avantages fonctionnels qui surviennent pour un nombre pair ou impair d’espèces participantes. Il est remarquable que les interactions non réciproques requises pour notre nouveau scénario proposé soient présentes de manière générique dans tous les cycles métaboliques.
Dans une autre étude, les auteurs ont découvert que l’auto-attraction n’est pas nécessaire pour se regrouper dans un petit réseau métabolique. Au lieu de cela, les effets de réseau peuvent même provoquer l’agrégation de catalyseurs auto-répulsifs. Avec cela, les chercheurs démontrent de nouvelles conditions dans lesquelles des interactions complexes peuvent créer des structures auto-organisées.
Dans l’ensemble, les nouvelles connaissances des deux études ajoutent un autre mécanisme à la théorie de la complexité de la vie autrefois issue de molécules simples, et découvrent plus généralement comment les catalyseurs impliqués dans les réseaux métaboliques peuvent former des structures.
